JPH11324793A - Engine with aluminum piston and aluminum bore resistant to abrasion and scuffing - Google Patents
Engine with aluminum piston and aluminum bore resistant to abrasion and scuffingInfo
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- JPH11324793A JPH11324793A JP11041726A JP4172699A JPH11324793A JP H11324793 A JPH11324793 A JP H11324793A JP 11041726 A JP11041726 A JP 11041726A JP 4172699 A JP4172699 A JP 4172699A JP H11324793 A JPH11324793 A JP H11324793A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム製シ
リンダーボアと、磨耗及びスカッフィング(scuffing)
に耐性を有するアルミニウム製ピストンとを備えたレシ
プロエンジン(reciprocating engine)に関する。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an aluminum cylinder bore, abrasion and scuffing.
And a reciprocating engine provided with an aluminum piston resistant to heat.
【0002】[0002]
【従来技術】例えばAl−Si(アルミニウムとシリコ
ンの)合金などのアルミニウム合金からレシプロエンジ
ンのブロックを製作することが知られている。以前に
は、共晶(eutectic)及び亜共晶(hypoeutectic)のアル
ミニウムとシリコンの合金からなるエンジンブロック
は、アルミニウムとシリコンの合金のピストンを用いる
鉄製シリンダーライナーから作られていた。しかしなが
ら、鉄製ライナーは、エンジンに重量を付加しコストが
かかる上、望ましくないことに、アルミニウム製ブロッ
ク及びピストンとは異なる熱膨張率を有する。その代わ
りに、1人のエンジン製造者が、酸化アルミニウム繊維
及びシリコン炭化物粒子からなる予め形成された多孔性
のライナーを型の中に設置し、この予め形成されたライ
ナーを侵入させてシリンダー壁を形成するようにその回
りに亜共晶のアルミニウムとシリコンの合金の鋳物を押
し込めることによってエンジンブロックを製作してい
た。このエンジンは、スカッフィングを避けるため鉄製
プレートのピストンで駆動される。最終的には、ブロッ
クは、亜共晶のアルミニウムとシリコンの合金(例えば
390合金)から鋳造され、シリンダー壁の表面には硬
質シリコンが露出するようにアルミニウム地がエッチン
グされている。これらの亜共晶のアルミニウム製ボアか
らなるエンジンは、鉄、クロム、ニッケル、MoS2若
しくはグラファイトを含むワニス、或いは、エポキシ樹
脂マトリックス(メイズ(Meise)に付与された特許第
4,395,442号を見よ)中の酸化セラミック粒子で被覆さ
れたアルミニウム製ピストンで駆動される。そしてスカ
ート(skirt)部とシリンダー壁との間の摺動摩擦を減
少させるため滑らかなフィルムで被覆されたピストンに
対しては、ラオ(Rao)に付与された特許第5,31
3,919号及びその他、同じくラオに付与された特許
第5,239,955号、プレスウッド(Presswood)
に付与された特許第4,831,977号、ハルデマン
(Haldeman)に付与された特許第3,890,950
号、及びフレミングに付与された特許第2,817,5
62号及びその他もまた見なさい。それらの滑らかなフ
ィルムの中には、耐熱性ポリマーマトリックスに運ばれ
る固体潤滑粒子を含むものがあり、これらは「固体フィ
ルム減摩剤(solid film lubricants)」若しくは「複
合ポリマーコーティング(composite polymer coating
s)」として知られている。過共晶合金よりむしろ共晶
又は亜共晶のアルミニウムとシリコンの合金からエンジ
ンブロックを製作するのが望ましい。共晶又は亜共晶の
合金は、より安価で良好な鋳造性能及び機械加工性能を
具備しているからである。更に、重量及びコストを削減
し、並びに、熱変換性能を改善するためには、以前から
共晶又は亜共晶の合金ブロックと共に使用されていた鉄
製ライナー及びAl2O3−SiCの粗作り製品を排除す
るのが望ましい。しかしながら、アルミニウム製シリン
ダー壁に対してアルミニウム製ピストンを駆動すること
は、シリンダー壁及びピストンのスカート部が大きく擦
り切れる結果となる(即ち、潤滑油が切れた状態で一緒
に摺動する2つの部品間の粘着性磨耗)。このようなス
カッフィングに対する優れた耐性は、共晶及び亜共晶の
ブロックと、ピストンスカート部を固体フィルム潤滑油
で被覆されたアルミニウム製ピストンと、の間で得られ
る。しかしながら、本応用におけるそのような被覆の磨
耗耐性及び耐久性は、長寿命のエンジンに対しては不適
切である。2. Description of the Prior Art It is known to manufacture reciprocating engine blocks from aluminum alloys such as, for example, Al-Si (aluminum and silicon) alloys. Previously, engine blocks composed of eutectic and hypoeutectic aluminum-silicon alloys were made from iron cylinder liners using aluminum-silicon alloy pistons. However, iron liners add weight and cost to the engine and undesirably have a different coefficient of thermal expansion than aluminum blocks and pistons. Instead, one engine manufacturer installs a pre-formed porous liner of aluminum oxide fibers and silicon carbide particles in a mold and penetrates the pre-formed liner to cut the cylinder wall. Engine blocks were fabricated by forcing a hypoeutectic aluminum and silicon alloy casting around it to form. The engine is driven by an iron plate piston to avoid scuffing. Finally, the block is cast from a hypoeutectic alloy of aluminum and silicon (e.g., 390 alloy), and the surface of the cylinder wall is etched with aluminum to expose hard silicon. Engines consisting of these hypoeutectic aluminum bores are available in varnishes containing iron, chromium, nickel, MoS 2 or graphite, or epoxy resin matrices (patent no.
4,395,442) driven by an aluminum piston coated with oxidized ceramic particles. And, for a piston coated with a smooth film to reduce the sliding friction between the skirt and the cylinder wall, see Rao, US Pat.
No. 3,919, and other patents also issued to Lao, US Pat. No. 5,239,955, Presswood.
No. 4,831,977 to Haldeman, and Patent No. 3,890,950 to Haldeman.
No. 2,817,5 granted to Fleming
See also No. 62 and others. Some of these smooth films contain solid lubricating particles that are carried in a refractory polymer matrix, such as "solid film lubricants" or "composite polymer coatings".
s) ". It is desirable to fabricate the engine block from a eutectic or hypoeutectic aluminum and silicon alloy rather than a hypereutectic alloy. This is because eutectic or hypoeutectic alloys are cheaper and have good casting and machining performance. Furthermore, to reduce the weight and cost, and, in order to improve the heat conversion performance, coarse making products from a previous eutectic or hypo-iron liner and Al 2 O 3 was used in conjunction with alloy block crystalliser -SiC Is desirable. However, driving the aluminum piston against the aluminum cylinder wall results in significant wear of the cylinder wall and the skirt of the piston (i.e., between two parts sliding together with the lubrication oil running out). Viscous wear). Such excellent resistance to scuffing is obtained between eutectic and hypoeutectic blocks and aluminum pistons whose piston skirt is coated with a solid film lubricant. However, the wear resistance and durability of such coatings in this application are unsuitable for long life engines.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、ピストンに
適用される複合ポリマーコーティングの磨耗耐性を増加
させることによって、シリンダー壁が亜共晶、共晶、或
いは過共晶のアルミニウムとシリコンの合金のいずれを
含むものであるかに係わらず、アルミニウムとシリコン
のシリンダー壁に対して駆動されるアルミニウム製ピス
トン間の長期間に亘るスカッフィング耐性を提供するこ
とを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to an alloy of aluminum and silicon having a hypoeutectic, eutectic, or hypereutectic cylinder wall by increasing the wear resistance of a composite polymer coating applied to a piston. It is an object of the present invention to provide a long-term scuffing resistance between an aluminum piston driven against an aluminum and silicon cylinder wall regardless of which one is used.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明によれば、アルミ
ニウムとシリコンの合金からなるブロックを有するレシ
プロエンジンが提供され、このブロックは、シリンダー
ボアを画定し且つこのブロック台と同じ組成を有する少
なくとも1つの内部シリンダーを備えている。従って、
ブロックが亜共晶のアルミニウムとシリコンの合金から
鋳造される場合、シリンダー壁はこれと同じ組成を持つ
であろう。このシリンダー壁は、平均して約0.09乃
至約0.25ミクロンの表面粗さRaを有する表面仕上
げを提供するように機械加工される。このエンジンは、
シリンダー壁に直面する外側表面を有するスカート部を
備えたアルミニウムとシリコンの合金製ピストンもまた
備えている。このスカート部の表面は、該表面に付着さ
れた硬質陽極処理コーティングと、この硬質陽極処理コ
ーティングの上に形成された複合ポリマーコーティング
と、を有する。複合ポリマーコーティングは、エンジン
の動作温度に耐えられる耐熱性ポリマーを含み、更にそ
の中に複数の固体潤滑粒子を含む。複合ポリマーコーテ
ィングの下にある硬質陽極処理コーティングは、アルミ
ニウム製シリンダー壁の遥かに低い磨耗率及びより一定
した磨耗、並びに、ピストン上の複合ポリマーコーティ
ングの遥かに低い磨耗率を実現するように促し、これに
よってエンジンの有効寿命を延長する。硬質陽極処理さ
れた下層が、陽極処理された下層が存在しない複合ポリ
マーコーティングのみを有するピストンと比較して30
%程度まで複合ポリマーコーティングの磨耗率を減少さ
せることをテストは示した。シリンダー壁の磨耗率の大
きな減少も観察されている。本発明の好ましい実施形態
によれば、硬質陽極処理コーティングは、約15乃至約
25ミクロン(最も好ましくは20ミクロン)の厚さを
有する。そして、複合ポリマーコーティングは、好まし
くは、グラファイトと、一フッ化炭素(carbon monoflu
oride)と、窒化ホウ素と、モリブデン、タングステン
及びチタニウムを含む硫化物、セレン化物及びテルル化
物とを含むグループから選択された固体潤滑粒子を含む
のがよい。これらの固体潤滑粒子は、高温エポキシ(he
at temperature epoxy)、熱硬化性ポリイミド類(heat
curable polyimides)、ポリアミドイミド(polyamide
imide)、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリールス
ルホン(polyaryl sulfone)を含むグループから選択さ
れるポリマーマトリックスの中に保有される。According to the present invention, there is provided a reciprocating engine having a block comprising an alloy of aluminum and silicon, the block defining a cylinder bore and having at least the same composition as the block base. It has one internal cylinder. Therefore,
If the block is cast from a hypoeutectic alloy of aluminum and silicon, the cylinder walls will have the same composition. The cylinder wall is machined to provide a surface finish having a surface roughness Ra on average of about 0.09 to about 0.25 microns. This engine
An aluminum and silicon alloy piston with a skirt having an outer surface facing the cylinder wall is also provided. The surface of the skirt has a hard anodized coating applied to the surface and a composite polymer coating formed over the hard anodized coating. The composite polymer coating includes a heat resistant polymer that can withstand the operating temperature of the engine, and further includes a plurality of solid lubricating particles therein. The hard anodized coating underneath the composite polymer coating helps to achieve much lower and more consistent wear of the aluminum cylinder walls, and a much lower wear rate of the composite polymer coating on the piston, This extends the useful life of the engine. The hard anodized underlayer was 30 times less than the piston having only the composite polymer coating without the anodized underlayer.
Tests have shown that the wear rate of the composite polymer coating is reduced by as much as%. Significant reductions in cylinder wall wear rates have also been observed. According to a preferred embodiment of the present invention, the hard anodized coating has a thickness of about 15 to about 25 microns, most preferably 20 microns. And the composite polymer coating is preferably made of graphite and carbon monofluid.
oride), boron nitride, and solid lubricating particles selected from the group comprising sulfides, including molybdenum, tungsten and titanium, selenides and tellurides. These solid lubricating particles are made of high temperature epoxy (he
at temperature epoxy), thermosetting polyimides (heat
curable polyimides), polyamide imide (polyamide)
imide), polyphenylene sulfide, and polyaryl sulfone, held in a polymer matrix selected from the group comprising:
【0005】[0005]
【発明の実施の形態】本発明は、以下に図面を参照して
与えられる本発明のある特定の実施形態についての以下
に続く詳細な説明を照らし合わせて考慮されるとき、よ
り良く理解されるであろう。図1は、頂部4と該頂部4
から垂れ下がったスカート部6とを有するアルミニウム
製ピストン2、並びに、番号が附与されていない内部強
化構造及びピストンロッドをピストン2に取りつけるた
めのピストンピンを収容するボアを表している。一対の
上部リング溝8及び10が圧縮リング12及び14を受
け入れており、そのより下方にあるリング溝16がオイ
ルリング18を受け入れている。ピストン2はエンジン
ブロック24中の環状シリンダー壁22によって画定さ
れるシリンダーボア20の中で往復運動する。エンジン
ブロック24はアルミニウムとシリコンの合金から鋳造
され、また、それは過共晶の合金からも製作できるけれ
ども、好ましくは、共晶又は亜共晶のアルミニウムとシ
リコンの合金から鋳造されるのがよい。本発明によれ
ば、図2に最も好ましい実施形態を示すように、スカー
ト部6は外側表面26を有しており、該表面26上に濃
い酸化アルミニウム層28が形成されるように硬質陽極
処理を施されている。硬質陽極処理コーティングは、本
来の場所であるアルミニウムの表面上に、電気化学的に
形成され、且つ、少なくとも540マイクロヌープ硬度
(5グラム重において)を有する酸化アルミニウム層で
ある。本発明に係る酸化層は、約540乃至約600の
間、好ましくは約560マイクロヌープ硬度(即ち、5
グラム重)を有する。アルミニウム陽極処理は周知のプ
ロセスである。このプロセスによってアルミニウム基体
が電解液中で陽極を形成し、電流が流れた状態で水の電
気分解により提供された酸素と反応し、この陽極表面で
酸化アルミニウムに電気化学的に転換されるプロセスを
経る。多くの異なる酸性物が用いられるが、中でもクロ
ム酸、硫酸、及びしゅう酸が最も一般的な電解液であ
り、特に硫酸が最も多く用いられる。硫酸は、低コス
ト、迅速処理である上、硫酸の高伝導率及びフィルムを
その下にある金属まで浸透する能力のために比較的低い
作動電圧で処理できるからである。陽極コーティングの
特性は、使用される電解液、電解液の濃度及び温度、使
用する電流、処理時間に依存する。硬質コーティングに
対しては、周囲の温度(例えば、おおよそ−2℃〜5
℃)及び適切に濃縮された硫酸電解液が好ましい(例え
ば、重量にして約10%〜20%)。特に、重量にして
12%〜15%のH2SO4が好ましい。好ましいプロセ
スに従って適正な硬質コーティングを形成するため、ま
ず、ピストンが、グリース、腐食物質、自生の(即ち、
自然に発生した)酸化物をすべて除去するように化学的
に清掃される。ある一つの適正な清掃技術は、室温の石
鹸溶液でピストンをごしごしこすり、その次に冷水です
すぎ、さらに、一般には市販されていないアルカリ清掃
溶液中に約3分間、約60℃の状態で浸漬する。それか
ら、冷すすぎで清掃作業が完了する。同じ結果を達成す
る他の清掃管理も有効である。次に、清掃されたピスト
ンは、12%のH2SO4を含む0℃の電解液に浸漬さ
れ、どのくらいの厚さのコーティングが必要とされるか
に応じて約8分間から約20分間の間、約3A/dm2
の電流密度で陽極処理される。コーティングの厚さは一
般に約8ミクロンから約20ミクロンの範囲内にあり、
約20ミクロン程度が好ましい。前述した温度、濃度及
び電流密度の条件下で、約20ミクロンの厚さを持つ酸
化物を生成するのに約10分かかる。陽極処理する前
に、ピストンは、酸化物が形成される場所を制御し、酸
化物が形成されるべきでない場所を排除するため適当に
マスクされる。この点に関して、典型的には少なくとも
頂部がマスク部材で覆われ、その結果スカート部のみが
陽極処理される。他方、リング12と溝8との間で、高
温スカッフィング即ち微小溶接に対する耐性を増加させ
るため頂部の圧縮リング溝8の内側を陽極処理すること
が知られている。従って、どのようなマスクがなされて
も頂部の圧縮リング溝8は露出された状態に残され、そ
の結果、酸化物層30はスカート部6が被膜されるとき
と同時に該溝の中に形成される。陽極処理に続いて、ピ
ストンが汚れた環境に曝された場合、このピストンは複
合ポリマーコーティング32が適用される前に石鹸及び
水で清掃された後、乾燥される。清掃の後、複合ポリマ
ーコーティングは、陽極処理された層の上に被覆され
る。好ましくは、このようなコーティングは約12ミク
ロン乃至約8ミクロンの厚さを持ち、滑らかな固体粒子
(例えば、グラファイトと、一フッ化炭素と、窒化ホウ
素と、モリブデン、タングステン及びチタニウムを含む
硫化物、セレン化物及びテルル化物)を含む。これらの
固体粒子は、例えば高温エポキシ、熱硬化性ポリイミド
類、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポ
リアリールスルホンなどの耐熱性(即ち、エンジンの動
作温度で性能維持するのに十分な耐性)ポリマーに含ま
れる。本発明で役立つそのようなコーティングの一つ
は、ポリアミドイミド中に体積にして約5%から約30
%のグラファイトを含む。他の適切な複合ポリマーコー
ティングは、ポリアミドイミド中に、体積にして約2%
から約20%のグラファイト粒子及び体積にして約2%
から約20%のMoS 2を含む。複合ポリマーコーティ
ングを被覆するための溶液は市販されている。そのよう
なコーティング溶液のうちの一つは、重量にして、31
%のポリアミドイミド、17%のグラファイト、51%
のN−メチル基ピロリドン(N-metylpyrolidone)を含
み、ドウ・コーニング(Dow Corning Corporation)会
社から入手できる。そのような溶液の他のものは、10
Mg/m3のMoS2、25Mg/m3のグラファイト、
434Mg/m3のキシレン、90Mg/m3のジオキサ
ン及び35Mg/m3のジメチルアセチレンを含み、カ
ワムラ・リサーチ研究所から入手できる。滑らかな粒子
は、長さが約3乃至約15ミクロンで直径が約1乃至5
ミクロンの範囲にある繊維の形態において等軸或いは細
長く延びた形状のいずれかをとり得る。本発明の複合ポ
リマーコーティングは、当業者に知られている、噴霧、
シルクスクリーン(silk screen)、パッドプリンティ
ング(pad printing)などの技術を含む様々な方法で適
用することができる。そのような方法を適用している間
に、ポリマーは、それに適した溶剤の中で溶解される。
コーティング処理に引き続いて、被覆されたピストンは
溶液を取り除くため乾燥される。ポリアミドイミドがポ
リマーマトリックスとして使用されるとき、ポリマーを
硬化させるためピストンは約15分乃至60分の間、約
180℃乃至約200℃で焼かれる。他の結合剤は、硬
化のため異なる時間及び温度を適宜要する。本発明の重
要な様相は、シリンダー壁表面の滑らかさである。この
点に関して、シリンダー壁表面は、シリンダー壁による
複合ポリマーコーティングの摩滅を減じるため平均した
表面粗さRaが約0.09乃至約0.25になるまで研
磨される。これとは対照的に、鋳鉄製シリンダー壁は、
典型的に、平均した表面粗さR aが約0.32乃至約
0.80になるまで研磨され、エッチングされた過共晶
のアルミニウムとシリコンの合金からなるシリンダー壁
は約0.20〜0.30の表面粗さRaを持つ。機械加
工されるがエッチングされていない過共晶の合金である
ならば、本発明において首尾良く使用することができ
る。ボアの表面が0.25ミクロンより小さい粗さを有
するとき、このボア表面は、これに抗するピストンの持
続的な駆動により段々とより滑らかになっていく。しか
し、これとは逆に、ボア表面の粗さが0.25ミクロン
より大きいとき、このボア表面は、これに抗するピスト
ンの持続的な駆動により段々とより粗くなっていき、複
合ポリマーコーティングの磨耗率が大きく増加する。ボ
ア表面が0.09ミクロンより小さいとき、オイルの保
有能力が良好でなくなり、適切な滑らかさを実現する上
で不十分なオイルしか得られない。加速されたベンチテ
スト(即ち、キャメロン・プリント・レシプロマシーン
(Cameron Plint Reciprocating Machine)を使用し
て)及びエンジン動力測定テストが、磨耗及びスカッフ
ィングの耐性を評価するために遂行された。これらのテ
ストは、(1)複合ポリマーコーティングのみで被覆さ
れたピストン、(2)ピストン表面に硬質陽極処理され
た基層の上に複合ポリマーコーティングで被覆されたピ
ストンに対して各々実行された。このピストンは、重量
にして7%乃至18%のシリコン含有物を有するアルミ
ニウム製シリンダーのボア表面に対して駆動された。キ
ャメロン・プリント・ベンチテストでは、ピストンのス
カート部の一部分が往復移動されながらシリンダーのボ
ア表面の一部分に対して擦り付けられた。このテストが
潤滑油を用いて実行されるとき、それは磨耗テストとな
る。このテストが潤滑油無しに実行されるとき、それは
スカッフィングテストとなる。磨耗テストでは、最大往
復周波数ヘルツで10Mpaの接触応力を付加する荷重
が125℃で適用された。潤滑油は「SAE5W30」
であった。ストロークは10Hzの往復周波数の状態で
6.77mmであった。テスト期間は20時間であっ
た。次に、テストされたサンプルの磨耗の深さが測定さ
れた。スカッフィングテストでは、ピストンのスカート
部の一部分が最大往復周波数ヘルツで4〜10Mpaの
範囲にある接触応力を付加する様々な荷重を与えた状態
でシリンダーのボア表面の一部分に対して擦り付けられ
た。このテスト時の温度は85℃であり、テスト期間は
15分間であった。2つのサンプル間の摩擦及び接触電
気抵抗における変化が常時監視された。摩擦の増加及び
接触電気抵抗の減少は、スカッフィングがテスト期間中
に発生したことを示した。スカッフィング開始に至る荷
重及び時間が、スカッフィング耐性をランク付けするた
めに使用された。これらのテストは、複合ポリマーコー
ティングのみ(即ち陽極された下塗りコーティングが無
い場合)又は硬質陽極処理コーティングの上の複合ポリ
マーコーティングが、亜共晶、過共晶或いは共晶の合金
ボアに抗して駆動されるとき鉄若しくはニッケルをベー
スとする合金でメッキされたピストンを超える優れたス
カッフィング耐性を有することを示した。これらのテス
トは、硬質陽極処理コーティングの上の複合ポリマーコ
ーティングが、アルミニウムの上に直接被膜した複合ポ
リマーコーティングよりも遥かに低く(約1/5乃至約
1/3)且つ一定した磨耗を生成することも示した。こ
の点に関して、磨耗ベンチテストの20時間後には、複
合ポリマーコーティングの厚さが測定され、その開始時
における厚さと比較された。これらのテストは、硬質陽
極処理されたアンダーコーティングを有するピストンが
酸化物の下層が無いピストンよりも平均して約30%低
い磨耗率であることを示した。最終的に、陽極処理され
た下層の上に複合ポリマーコーティングを備えたピスト
ン及び亜共晶及び過共晶の両方からなるアルミニウムと
シリコンの合金のシリンダー壁表面から組み立てられた
エンジンが、レイノルズ金属会社による低温スカッフィ
ングテスト及びジェネラルモーターズ株式会社による高
温スカッフィングテストの両方にパスした。陽極処理コ
ーティングに起因すると考えられる磨耗耐性の増加の要
因はあまり良く分かっていないが、(a)硬質陽極処理
は被膜されていないアルミニウムよりも柔らかいポリマ
ーコーティングを更に良好に支持する堅い固体の基体を
提供するという要因、或いは(b)硬質陽極処理は、ピ
ストンへの複合ポリマーコーティングのより良好な粘着
を促進する複合ポリマーコーティングを受け入れる僅か
に粗い表面を提供するという要因のいずれかが生じるか
らであると考えられている。本発明は、本発明のある特
定の実施形態の観点から開示されたが、本発明はこれの
みに限定されるものではなく、請求の範囲に設定された
範囲によってのみ画定される。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings.
The following for certain embodiments of the invention given
When considered in light of the detailed description that follows.
Will be better understood. FIG. 1 shows a top 4 and the top 4
Aluminum having a skirt portion 6 hanging therefrom
Piston 2 and internal strength not numbered
To attach piston structure to piston 2
The bore for accommodating the piston pin. Pair of
Upper ring grooves 8 and 10 receive compression rings 12 and 14.
And the lower ring groove 16 is
Luling 18 is accepted. Piston 2 is the engine
Defined by an annular cylinder wall 22 in block 24
Reciprocate in the cylinder bore 20 to be moved. engine
Block 24 is cast from an alloy of aluminum and silicon
And it can also be made from hypereutectic alloys
Preferably, eutectic or hypoeutectic aluminum and silicon
Preferably, it is cast from Recon's alloy. According to the present invention
For example, as shown in FIG.
The part 6 has an outer surface 26 on which the dark
A hard anode so that the aluminum oxide layer 28 is formed.
The treatment has been applied. Hard anodized coating
Electrochemically on the surface of aluminum where it came
Formed and at least 540 micro Knoop hardness
With an aluminum oxide layer having (at 5 grams weight)
is there. The oxide layer according to the present invention has a thickness of about 540 to about 600.
Between about 560 micro Knoop hardnesses (ie, 5
Gram weight). Aluminum anodizing is a well-known process.
Roses. This process allows the aluminum substrate
Form an anode in the electrolyte, and
Reacts with oxygen provided by vaporization, and on this anode surface
The process of electrochemical conversion to aluminum oxide
Pass. Many different acidic substances are used,
Muric, sulfuric, and oxalic acids are the most common electrolytes.
In particular, sulfuric acid is most often used. Sulfuric acid is low cost
In addition to rapid processing, high conductivity of sulfuric acid and film
Relatively low due to its ability to penetrate to the underlying metal
This is because the operation voltage can be used. Anode coating
Characteristics include the electrolyte used, the concentration and temperature of the electrolyte,
It depends on the current used and the processing time. For hard coating
In contrast, the ambient temperature (for example, approximately −2 ° C. to 5
° C) and a suitably concentrated sulfuric acid electrolyte (eg,
About 10% to 20% by weight). In particular, by weight
12% to 15% HTwoSOFourIs preferred. Preferred process
To form an appropriate hard coating according to the
The piston is grease, corrosive,
Chemical to remove all (naturally occurring) oxides
To be cleaned. One good cleaning technique is room temperature stones.
Scrub the piston with a soap solution, then cold water
Too, and alkaline cleaning not generally available
Immerse in the solution at about 60 ° C. for about 3 minutes. Or that
Then, the cleaning operation is completed by cooling and rinsing. Achieve the same result
Other cleaning controls are also effective. Next, the cleaned piste
Is 12% HTwoSOFourImmersed in 0 ° C electrolyte containing
And how thick coatings are needed
About 3 A / dm for about 8 to about 20 minutes depending onTwo
Anodized at a current density of One coating thickness
Generally in the range of about 8 microns to about 20 microns;
About 20 microns is preferred. The temperature, concentration and
Acid with a thickness of about 20 microns under conditions of current and current density
It takes about 10 minutes to produce the chloride. Before anodizing
In addition, the piston controls where the oxide is formed,
Appropriately to exclude places where chloride should not be formed
Masked. In this regard, typically at least
The top is covered with a mask member, so that only the skirt is
Anodized. On the other hand, between the ring 12 and the groove 8, a high
Increases resistance to warm scuffing or micro-welding
To anodize the inside of the top compression ring groove 8
It has been known. So what masks are made
The compression ring groove 8 at the top is left exposed, and
As a result, when the skirt portion 6 is covered with the oxide layer 30,
At the same time, it is formed in the groove. Following the anodization,
If the stone is exposed to a dirty environment, this piston will
Before the compound polymer coating 32 is applied, the soap and
After being cleaned with water, it is dried. After cleaning, the composite polymer
-The coating is applied over the anodized layer
You. Preferably, such a coating is about 12 micron
Ron to about 8 microns thick, smooth solid particles
(For example, graphite, carbon monofluoride, and boron nitride
Including molybdenum, tungsten and titanium
Sulfide, selenide and telluride). these
Solid particles include, for example, high temperature epoxy, thermosetting polyimide
, Polyamide imide, polyphenylene sulfide,
Heat resistance (ie, engine operation)
Sufficient resistance to maintain performance at operating temperature) Included in polymer
It is. One such coating useful in the present invention
Is from about 5% to about 30% by volume in the polyamideimide.
% Graphite. Other suitable composite polymer coats
About 2% by volume in polyamideimide
From about 20% graphite particles to about 2% by volume
About 20% MoS Twoincluding. Composite polymer coating
Solutions for coating the coating are commercially available. Like that
One of the coating solutions is 31% by weight.
% Polyamideimide, 17% graphite, 51%
N-methyl group pyrrolidone (N-metylpyrolidone)
Mi, Dow Corning Corporation Association
Available from the company. Another such solution is 10
Mg / mThreeMoS2, 25Mg / mThreeOf graphite,
434 Mg / mThreeXylene, 90 Mg / mThreeDioxa
And 35 Mg / mThreeContaining dimethylacetylene
Available from Wamura Research Institute. Smooth particles
Has a length of about 3 to about 15 microns and a diameter of about 1 to 5
Equiaxed or fine in the form of fibers in the micron range
It can take any of the elongated shapes. The composite port of the present invention
Rimmer coatings are known to those skilled in the art,
Silk screen, pad printing
Various methods, including techniques such as pad printing.
Can be used. While applying such a method
First, the polymer is dissolved in a suitable solvent.
Following the coating process, the coated piston is
It is dried to remove the solution. Polyamide imide is
When used as a rimer matrix, the polymer
The piston is allowed to set for about 15-60 minutes to cure.
Bake at 180 ° C to about 200 ° C. Other binders are hard
Therefore, different times and temperatures are required as needed. The weight of the present invention
The key aspect is the smoothness of the cylinder wall surface. this
In terms of points, the cylinder wall surface depends on the cylinder wall
Averaged to reduce wear of composite polymer coatings
Surface roughness RaUntil about 0.09 to about 0.25
Polished. In contrast, cast iron cylinder walls are
Typically, the average surface roughness R aIs about 0.32 to about
Hypereutectic polished and etched to 0.80
Cylinder wall made of aluminum and silicon alloy
Is a surface roughness R of about 0.20 to 0.30ahave. Machine
Is a hypereutectic alloy that has been machined but not etched
Can be used successfully in the present invention
You. Bore surface has roughness less than 0.25 micron
When this is done, the bore surface
It becomes smoother gradually by continuous driving. Only
On the contrary, the surface roughness of the bore is 0.25 microns.
When larger, this bore surface is
With the continuous driving of the
The wear rate of the composite polymer coating is greatly increased. Bo
When the surface is smaller than 0.09 microns, the oil
The ability is no longer good, and appropriate smoothness is achieved.
Can only provide insufficient oil. Accelerated benchite
Strike (ie, Cameron Print Reciprocating Machine)
(Cameron Plint Reciprocating Machine)
T) and engine power measurement tests to ensure wear and scuff
It was performed to evaluate the resistance of the wing. These te
The strike is (1) coated with a composite polymer coating only.
Piston (2) Hard anodized piston surface
Coated with a composite polymer coating on the
Each was performed against Ston. This piston is weight
With 7% to 18% silicon content by weight
The cylinder was driven against the bore surface. Ki
In the Cameron Print Bench Test, the piston
While part of the cart is reciprocating, the cylinder
A) It was rubbed against a part of the surface. This test
When performed with lubricating oil, it is a wear test.
You. When this test is performed without lubricant, it is
It becomes a scuffing test. In the wear test, the maximum
Load that applies 10 Mpa contact stress at dual frequency hertz
Was applied at 125 ° C. Lubricating oil is "SAE5W30"
Met. The stroke is at a reciprocating frequency of 10 Hz.
6.77 mm. The test period was 20 hours
Was. Next, the depth of wear of the tested sample is measured.
Was. Scuffing test with piston skirt
Part of the part has a maximum reciprocating frequency of 4 to 10 Mpa
Various loads that apply a range of contact stresses are applied
Is rubbed against a part of the cylinder bore surface
Was. The temperature during this test was 85 ° C, and the test period was
15 minutes. Friction and contact between two samples
Changes in air resistance were constantly monitored. Increased friction and
Decrease in electrical contact resistance is due to scuffing during test
It was shown to have occurred. The load leading to the start of scuffing
Weight and time are used to rank scuffing resistance
Used for These tests are based on composite polymer coatings.
Only (ie, no anodized primer coating
Or composite poly on hard anodized coating
Hypoeutectic, hypereutectic or eutectic alloy
When driven against the bore, iron or nickel
Superior piston over piston plated with alloy
It has cuffing resistance. These tests
A composite polymer core over a hard anodized coating
Coating is a composite port coated directly on aluminum.
Much lower than Rimmer Coating (about 1/5 to about
1/3) and also produced constant wear. This
20 hours after the wear bench test,
The thickness of the polymer coating is measured and at the start
Was compared with the thickness in These tests are
A piston with an under-treated pole coating
On average about 30% lower than piston without oxide underlayer
The wear rate was high. Finally anodized
With a composite polymer coating on the bottom layer
Aluminum and both hypoeutectic and hypereutectic
Assembled from silicon alloy cylinder wall surface
The engine is a low-temperature scuff by Reynolds Metal Company
Testing by General Motors Corporation
Passed both hot scuffing tests. Anodizing co
To increase wear resistance attributed to
Although the cause is not well understood, (a) hard anodic treatment
Is a softer polymer than uncoated aluminum
-A solid solid substrate that better supports the coating
Factor, or (b) hard anodizing
Better adhesion of composite polymer coating to stones
Promote composite polymer coating accept slightly
Cause of providing a rough surface to the surface?
Are considered to be The present invention relates to certain features of the present invention.
Although disclosed in terms of certain embodiments, the present invention does not
Is not limited to
Defined only by range.
【図1】ピストン及びその周囲にあるブロックの側断面
図である。FIG. 1 is a side sectional view of a piston and blocks around the piston.
【図2】図1の附番号2で指し示された領域におけるピ
ストン表面の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a piston surface in a region indicated by reference numeral 2 in FIG. 1;
2 ピストン 6 スカート部 20 シリンダーボア 22 内部シリンダー壁 28 硬質陽極処理コーティング 32 複合ポリマーコーティング 2 Piston 6 Skirt 20 Cylinder bore 22 Internal cylinder wall 28 Hard anodized coating 32 Composite polymer coating
フロントページの続き (72)発明者 ピーター・ヴァーニア アメリカ合衆国ミシガン州48306,ロチェ スター・ヒルズ,トーラハッセ・ドライブ 2763 (72)発明者 シモン・チン−ユー・トゥン アメリカ合衆国ミシガン州48306,ロチェ スター・ヒルズ,ハヴァーヒル・ドライブ 1871Continuation of the front page (72) Inventor Peter Vernia 48306, Michigan, USA, Rochester Hills, Torah Hase Drive 2763 (72) Inventor Simon Chin-Yu Tun 48306, Michigan, USA, Rochester Hills, Haverhill Hill Drive 1871
Claims (3)
4)と、前記第1のアルミニウム合金製ブロック(2
4)内でシリンダーボア(20)を画定するように形成
された、少なくとも1つの内部シリンダー壁(22)
と、前記ボア(20)内で往復運動する第2のアルミニ
ウム合金製ピストン(2)と、を有するレシプロエンジ
ンであって、前記壁(22)は、平均して約0.09乃
至約0.25ミクロンの表面粗さRaを有し、前記ピス
トン(2)は、前記壁に直面する外側表面(26)を有
するスカート部(6)を備え、前記表面は、該表面に付
着された第1の硬質陽極処理コーティング(28)と、
前記硬質陽極処理コーティング(28)上の第2の複合
ポリマーコーティング(32)とを有し、前記第2の複
合ポリマーコーティングは、前記エンジンの動作温度に
耐えられる耐熱性ポリマーマトリックスに複数の固体潤
滑粒子を含む、前記レシプロエンジン。1. A first aluminum alloy block (2)
4) and the first aluminum alloy block (2)
4) at least one internal cylinder wall (22) formed to define a cylinder bore (20) within
And a second aluminum alloy piston (2) reciprocating in the bore (20), wherein the wall (22) averages between about 0.09 to about 0.5 mm. The piston (2) has a skirt (6) having an outer surface (26) facing the wall, having a surface roughness Ra of 25 microns, the surface being attached to a first surface attached to the surface. 1 hard anodized coating (28);
A second composite polymer coating (32) on the hard anodized coating (28), the second composite polymer coating comprising a plurality of solid lubricants in a refractory polymer matrix that can withstand the operating temperature of the engine. The said reciprocating engine containing a particle.
は、約8ミクロン乃至約25ミクロンの厚さを有し、前
記複合ポリマーコーティング(32)は約12ミクロン
乃至約18ミクロンの厚さを有する、請求項1に記載の
エンジン。2. The hard anodized coating (28).
The engine of any of the preceding claims, wherein the has a thickness of about 8 microns to about 25 microns and the composite polymer coating (32) has a thickness of about 12 microns to about 18 microns.
一フッ化炭素と、窒化ホウ素と、モリブデン、タングス
テン及びチタニウムを含む硫化物、セレン化物及びテル
ル化物とを含むグループから選択され、前記ポリマーマ
トリックスは、高温エポキシ、熱硬化性ポリイミド類、
ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド及びポリ
アリールスルホンを含むグループから選択される、請求
項1に記載のエンジン。3. The solid lubricating particles include graphite,
Selected from the group consisting of carbon monofluoride, boron nitride, and sulfides including molybdenum, tungsten and titanium, selenides and tellurides, wherein the polymer matrix is a high temperature epoxy, thermoset polyimides,
The engine according to claim 1, wherein the engine is selected from the group comprising polyamide imide, polyphenylene sulfide and polyaryl sulfone.
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